基于MATLAB的三相整流電路仿真研究課程論文

1、華東交通大學理工學院Institute of Technology. East China Jiaotong University課 程 （論 文） 題 目 基于MATLAB的三相整流電路的設計 分 院： 電信分院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 12電力1班 學 號： 119 學生姓名： 李勁 指導教師： 李房云 起訖日期： 2015年11月29日 摘 要本文設計了運用了MATLAB對三相整流電路的仿真，整流電路是把交流電能轉換為直流電能的電路，它在直流電動機的調速、發(fā)電機的勵磁調節(jié)、電解、電鍍等領域得到廣泛的應用。本文基于三相整流電路的原理，對不同控制角度下的三相橋式全控整流電路、

2、三相橋式半控整流電路、以及電機調速電路在不同的條件下進行了一定的仿真模擬。關鍵詞：MATLAB；整流；仿真AbstractThis article is designed on the three-phase circuit simulation by using the MATLAB,the rectifier circuit is used to convert DC to AC power circuit, for the DC Motor Speed-governing, generator excitation adjustment, electrolysis, electro pl

3、anting and other fields. This article is based on the principle of three-phase rectifier circuit, under different control angle all three-phase controlled rectifier circuit, rectifier inverter circuit, and motor speed control circuit under the different conditions in a certain simulation . Keywords:

4、MATLAB; Rectifier; Simulation目 錄摘 要IAbstractII目 錄11 緒論21.1 問題的提出21.2 研究現狀22 三相全控整流電路的設計42.1 三相全控整流電路的原理52.2 三相全控整流電路的建模52.3 仿真波形62.4 電路仿真結果分析73 三相橋式整流電路的直流電機的仿真8 3.1 觸發(fā)角的理論分析及平波電抗器設置與仿真對比8 3.1.1觸發(fā)角的理論分析8 3.1.2平波電抗器的計算8 3.2仿真參數設置及仿真結果94 三相橋式半控整流電路分析114.1 當為不同值時電路輸出電壓ud的波形特點114.2 計算三相橋式半控整流電路（電阻性負載）輸出

5、平均電壓Ud114.3 電路仿真12 4.3.1運行Simulink12 4.3.2模型仿真及結果13總 結16參考文獻171 緒論1.1 問題的提出 電力電子技術是電氣工程及其他相關專業(yè)的重要專業(yè)基礎課該課程通過分析各類電力電子器件的導通、關斷情況來理解整流、逆變、調壓等典型電路的工作原理，是一門實踐性很強的課程。 整流電路尤其是三相橋式可控整流電路是電力電子技術中最為重要的也是應用的最為廣泛的電路，不僅應用于一般工業(yè)，也廣泛的應用于交流運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)及其他領域。因此對三相橋式可控整流電路的相關參數和不同性質負載的工作情況進行對比分析與研究具有很強的現實意義。通過查閱可控

6、整流電路控制、驅動等相關資料，對相關主電路和驅動電路的分析研究，可以對電力電子器件的應用、驅動和保護有一個更深刻的認識，同時為今后的學習和工作打下良好的基礎。 整流電路（rectifying circuit）把交流電能轉換為直流電能的電路。大多數整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。它在直流電動機的調速、發(fā)電機的勵磁調節(jié)、電解、電鍍等領域得到廣泛應用。 計算機仿真是通過對被研究的對象建立數學模型來進行仿真研究的。隨著計算技術的日趨發(fā)展和完善，無論描述研究對象的數學模型多么復雜龐大，只要其具有正確性，則仿真結果總是安全可靠的，這是諸如實物試驗等其它的研究方法所無法比擬的。一般來說，仿真時首

7、先建立應用系統(tǒng)的仿真模型，然后即可利用計算機去求解，故而其具有簡單、快捷、經濟等特點。另外，仿真資源還具有可重復利用的巨大優(yōu)勢，在針對不同的系統(tǒng)進行仿真時，有時甚至只需更改個別參數或個別環(huán)節(jié)。因而計算機仿真技術如今已廣泛應用于各個領域。鑒于計算機仿真技術在科研實踐中具有如此巨大的優(yōu)越性，把該項技術引入到三相橋式整流電路中，不僅有利于簡化研制過程、優(yōu)化系統(tǒng)參數、縮短研制周期，還有利于降低設計者的勞動強度，因而具有重大的實踐意義。 MATLAB,是由Mathworks公司推出,其中的Power System Blockset(PSB)含有在一定使用條件下的元件模型,包括電力系統(tǒng)網絡元件、電機、電力

8、電子器件、控制和測量環(huán)節(jié)以及三相元件庫等,再借助于其它模塊庫或工具箱,在Simulink環(huán)境下,可以進行電力系統(tǒng)的仿真計算,可以實現復雜的控制方法仿真,同時可以觀察仿真的執(zhí)行過程。仿真結果在仿真結束時利用變量存儲在MATLAB的工作空間中。在電氣工程類專業(yè)教學中應用Matlab仿真軟件是非常有必要的，通過Matlab/Simulink更能系統(tǒng)地讓學生掌握控制系統(tǒng)設計思想的演化過程以及電氣工程學科專業(yè)知識，從而提高學生分析和解決實際問題的能力，進一步培養(yǎng)學生的科研能力。1.2 研究現狀 MATLAB是一種集科學計算、自動控制、信號處理、神經網絡、圖像處理等于一體的高級語言，為廣大科技工作者提供了

9、一個簡便、實用的工具。MATLAB提供的SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。SIMULINK為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口，在SIMULINK環(huán)境下，利用鼠標就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，就像用筆和紙來畫畫一樣，一行代碼也不用編寫，然后直接進行電路的仿真，監(jiān)控仿真過程，分析仿真結果。因此它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。 KS公司的另一重要的伴隨產品SIMULINK。SIMULINK是用來對真實世界的動力學系統(tǒng)建模、模擬和分析的軟件。SIMULINK提供了基于MATLAB核心的數值、圖形、編程功能的

10、一個塊狀圖界面，通過塊與塊的聯線和屬性設置，用戶很容易構建出符合特定要求的模型，并對模型進行分析和模擬。 近年來，計算機仿真技術在電路分析設計中得到廣泛應用，采用該技術可以迅速得到實際方案的模擬結果，從而對其進行評估，優(yōu)化元器件參數，縮短周期，降低成本。此外，還減小了使用昂貴的功率器件進行探測性MATLAB既是一種直觀、高效的計算機語言,同時又是一個科學計算平臺。它為數據分析和數據可視化、算法和應用程序開發(fā)提供了最核心的數學和高級圖形工具。根據它提供的500多個數學和工程函數，工程技術人員和科學工作者可以在它的集成環(huán)境中交互或編程以完成各自的計算。 談到MATLAB，就不能不涉及MathWor

11、試驗的風險，所以在三相橋式整流時采用仿真技術有很大的優(yōu)越性。 本課題研究的主要切入點在于能夠對確定的電路中各個器件的參數進行合理的選擇，并建立適當的模型，使仿真結果符合實際，盡可能地滿足客觀要求。2. 三相全控整流電路的設計2.1 三相全控整流電路的原理 應用最為廣泛的三相全控整流電路如圖1 所示， 共陰極組陰極連接在一起的3 個晶閘管編號為VT1、VT3、VT5， 共陽極組陽極連接在一起的3個晶閘管編號為VT4、VT6、VT2。當控制角=0時，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1 個晶閘管處于導通狀態(tài)， 且不能為同1 相器件。對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的

12、順序，相位依次差60。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下兩個橋臂， 即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。從相電壓波形看， 共陰極組晶閘管導通時，ud1為相電壓的正包絡線； 共陽極組導通時，ud2為相電壓的負包絡線，ud=ud1ud2是兩者的差值，為線電壓在正半周的包絡線直接從線電壓波形看，ud為線電壓中最大的一個， 因此ud波形為線電壓的包絡線。=0時的波形如圖2 所示。 圖1 三相橋式全控整流電路原理圖 圖2 三相橋式全控整流電路帶電阻負載=0時的波形2.2 三相全控整流電路的建模根據三相

13、全控整流電路的電路圖， 在同步的6脈沖發(fā)生器的RLC 負載下，搭建了三相全控電路的仿真圖，如圖3 所示。此電路脈沖采用同步的6 脈沖發(fā)生器寬脈沖觸發(fā)。6 個晶閘管的觸發(fā)脈沖要互差60，移相控制角設置為30（仿真時可以靈活設置控制角）， 使能端口的階躍函數模塊Step 初始值為1，在0.04 6s 后變?yōu)?，6 脈沖發(fā)生器模塊設置頻率為50Hz，脈寬為90，選擇ode23tb 算法，設置仿真結束時間為0.06s。主電路上的三相電源線電壓有效值設置為 220姨3 ，頻率為 50Hz，初相角為 0。圖3 同步6 脈沖發(fā)生器下的仿真電路仿真電路中最主要的模塊三相橋電路用了SimpowerSystems

14、 庫提供的Universal Bridge 模塊，該模塊用的是晶閘管開關，參數設置如圖4 所示。圖4 Universal Bridge 模塊參數對話框橋臂個數選3，緩沖電阻值設為1e5，緩沖電容值設為inf，即設置緩沖電路為純電阻性電路。電力電子開關選擇晶閘管（Thysisters），內部電阻用默認的1e-3，內部電感為0，正向電壓為0，測量參數為None，即不測量任何參數。2.3 仿真波形三相全控橋式整流電路的負載一般都有較大電感， 能確保電流連續(xù)， 每個晶閘管的導電角總是120。設置串聯RLC 負載參數，電阻R=20，電感L=0.01H，開始仿真，得到整流器的電流波形、輸出電壓波形和電壓平

15、均值，如圖5 所示。進一步增大電感值，設置電感L=0.1H，再仿真，得到整流器的電流波形、輸出電壓波形和電壓平均值，如圖6 所示。對比電流波形可見，電感值增大使得負載電流變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形變得近似為一條水平線， 體現了電感的平波作用。圖5 電感性負載下的仿真波形圖6 電感值增大時的仿真波形在圖5 的基礎上進一步減小電感值， 直到設置電感L=0H，此時變成純阻性負載，仿真得到整流器的電流波形、輸出電壓波形和電壓平均值如圖7 所示。從圖7 可見電流波形與電壓波形一致。圖7 純電阻性負載下的仿真波形2.4 電路仿真結果分析 加到負載上的電壓依次為 當控制角60時，整流輸出電

16、壓： 電源相電壓US為220V，控制角 為30，代入（2）式中，可以求出計算值Ud=445V。從仿真波形觀測到的整流電壓平均值與計算值相一致，驗證了仿真的正確性。3 三相橋式整流電路的直流電機的仿真3.1 觸發(fā)角的理論分析及平波電抗器設置與仿真對比 3.1.1觸發(fā)角的理論分析采用三相橋式整流電路來控制直流電機工作，并控制晶閘管導通角對輸出的電壓根據負載的需要進行有效調節(jié)，同時利用線電壓進行換相關斷。電力電子中晶閘管的觸發(fā)問題是關鍵技術。圖1 所示為三相橋式整流電路載電機負等效原理圖。 在整流電路中，對晶閘管按scr1scr6 的順序依次循環(huán)觸發(fā)導通，6 個晶閘管的觸發(fā)脈沖要依次相差60。晶閘管

17、觸發(fā)的方式有兩種：一種是每個晶閘管的觸發(fā)脈沖要延續(xù)超過1/6 個周期，即寬脈沖以保證與下橋的一個晶閘管同時導通來構成回路；另一種是采用雙脈沖觸發(fā)，即給晶閘管一個窄脈沖，經過60后補發(fā)一次。雖然雙脈沖觸發(fā)電路比較復雜，但由于寬脈沖觸發(fā)的脈沖次數少了一半，為了不使脈沖變壓器飽和，需要將其鐵芯體積做大一半，因而漏感損耗較大、成本較高，故本文采用雙脈沖觸發(fā)。橋式整流電路晶閘管左右相鄰互差120，上下相差180，所以，晶閘管的最大導通角是120。 圖1 三相橋式電路原理圖 3.1.2平波電抗器的計算將直流電機看成是一個具有內阻和電感且電樞旋轉時產生感應反電動勢的等效負載，為避免電機帶動輕載時出現的負載電

18、流斷續(xù)的情況，本文采用加平波電抗器的方法來保證負載電流的持續(xù)平穩(wěn)脈動。首先介紹一下平波電抗器的參數的計算過程，三相橋式整流電路帶阻感負載情況下的輸出電壓平均值為：Ud=2.34U2cos （1）因此，在此情況下可得到負載電流為：其中,E=Cen在式(2)中，為每極的總磁通量；Ce 為電動勢常數。根據在導通角為120的情況下，整流輸出的直流電壓平均值等于一個周期中L、R 壓降的各個平均值與E 之和。又由于一個周期內電感的平均電壓為零，所以根據KCL 定律可得：電路平衡方程為：將以上幾式整合可得電流臨界連續(xù)時的電流iD。因為在動態(tài)方程中必然會有電感的作用，從而得到臨界平均值為：從而得出結論：臨界時

19、的平均電流與晶閘管的觸發(fā)角和電感L 值的大小有關。因此，IDminID。最后，經計算可得，三相全橋整流時為了保證負載電流連續(xù)，平波電抗器應滿足L1.210- 3U2ID的條件；同時，應該注意，在仿真電路中，為滿足仿真參數在理想情況下運行，將其平波電抗值放大到2 倍左右。仿真電路圖如圖2 所示。 （a） （b）圖2 電抗器對整流后電流的影響仿真圖由圖2 可以得出結論，加平波電抗器后，無論負載是在重載還是在輕載的情況下，輸出電流都是連續(xù)且平滑的。同時也說明，平波電抗器有抑制諧波的作用。3.2 仿真參數設置及仿真結果仿真電路參數如表1 所示。根據表1 所示的參數，搭建仿真電路圖，如圖3所示。從圖3(

20、b)可看出，轉子電流變化較明顯的時間，即串電阻的投切時間。圖3(a)表明，轉子轉速增加較平穩(wěn)，帶負載穩(wěn)定到額定轉速用時較少。 (a) (b)圖3 轉速(rad/s)、轉子電流仿真圖4 三相橋式半控整流電路分析 4.1 當為不同值時電路輸出電壓ud的波形特點 根據電力電子技術原理：（1） 當t=30即控制角=0時，正是三相整流電路的自然換相點，三相半控橋 式整流電路的輸出電壓Ud的波形與三相橋式全控電路在=0時的輸出電壓波形 一樣，ud為最大，其值為2.34U2；（2） 當60時，負載R上得到的ud是三個間隔波頭完整而三個波頭卻缺角的脈 動波形；（3） 當 =60時，ud是三個間隔波頭完整而波形

21、正好連續(xù)的脈動波形；（4） 當60180時，輸出電壓ud波形出現斷續(xù)。 4.2 計算三相橋式半控整流電路（電阻性負載）輸出平均電壓Ud根據電力電子技術原理：當060時， （1-1）啟動MATLAB的操作界面，MATLAB操作界面是用戶和MATLAB進行那個交互的集成平臺，在命令窗口（Command Window）中輸入MATLAB符號運算程序，計算整流輸出平均電壓 syms U2 Ud alpha omega t; T=1/50;omega=100*pi; u1=sqrt(3)*sqrt(2)*U2*sin(omega*t); Ud1=3/(2*pi/omega)*int(u1,t,(pi/3

22、+alpha)/omega,(2*pi/3)/omega); u2=sqrt(3)*sqrt(2)*U2*sin(omega*t-pi/3); Ud2=3/(2*pi/omega)*int(u2,t,(2*pi/3)/omega,(alpha+pi)/omega); Ud=Ud1+Ud2;Ud=expand(Ud);Ud=factor(Ud);Ud=vpa(Ud,4)程序運行結果為 Ud =1.169*U2*(1.+cos(alpha)當60180時，有 (1-2) syms U2 Ud alpha omega t; T=1/50;omega=100*pi; u1=sqrt(3)*sqrt(2

23、)*U2*sin(omega*t); Ud=3/(2*pi/omega)*int(u1,t,alpha/omega,pi/omega); Ud=expand(Ud);Ud=factor(Ud); Ud=vpa(Ud,) Ud=vpa(Ud,4)程序運行結果為Ud =1.169*U2*(1.+cos(alpha) 由上可見，在帶電阻性負載時，三相橋式半控整流電路輸出平均電壓為（001800） （1-3）4.3 電路仿真 4.3.1運行Simulink單擊MATLAB工具條上的Simulink圖標，出現Simulink模塊庫瀏覽器，單擊工具條左邊建立新模型的快捷方式，則顯示新建模型窗口，在模型窗口

24、中可通過選擇模塊庫中的仿真模塊，建立三相橋式半控整流電路的MATLAB仿真模型如圖1所示圖1 三相橋式半控整流電路的仿真模型s9027.mdl對于復雜、大型系統(tǒng)的模型，為了減少功能模塊得到個數，簡化圖形，使控制系統(tǒng)仿真模型的結構清晰，上下層次分明，互相關系明確，而方便大型復雜系統(tǒng)的仿真，把能夠實現某些功能的相關模塊組合在一起，構成一個新的功能模塊，稱為子系統(tǒng)。本設計中就采用了子系統(tǒng)創(chuàng)建系統(tǒng)模型的設計方式。如下圖2和3所示。就是三相橋式半控整流電路仿真模型中的兩個子系統(tǒng)。圖2 仿真模型s9027.mdl的Subsystem（子系統(tǒng)1）圖3 仿真模型s9027.mdl的Subsystem1（子系統(tǒng)2） 4.3.2 模型仿真及結果對三相橋式半控整流電路s9027.mdl仿真，其仿真選取了四個波形如圖所示。圖中自上而下的第一個波形分別為iT1、iT2、 iT3即流過晶閘管Th1、Th2、Th3的電流；第二波形為晶閘管Th1、Th2、Th3的端電壓；第三波性為流經負載的電流id；第四波形為整流輸出電壓ud。接電阻性負載時，其控制角=0圖4 電阻性負載時，其控制角=0其控制角=60時圖5 電阻性負載時，其控制角=60接電感性負載時（未接續(xù)流管）圖6 電感性負載時，其控制角=0接電感性負載時（接續(xù)流管）圖7 電感性負載時，其控制角=0有圖可見，由于電阻負載所